Waiting
Login-Verarbeitung ...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

פרוטוקול אולטרסאונד והדמיה פוטואקוסטית להדמיה טרנס-וגינלית של נגעים בשחלות

Published: March 3, 2023 doi: 10.3791/64864
Automatic Translation
1, 2, 1, 1,3
1Department of Biomedical Engineering, Washington University, 2Department of Electrical & Systems Engineering, Washington University, 3Department of Radiology, Washington University School of Medicine

Summary

אנו מדווחים על פרוטוקול אולטרסאונד והדמיה פוטואקוסטית להדמיה טרנס-וגינלית של נגעים בשחלות/אדנקסל. הפרוטוקול עשוי להיות בעל ערך למחקרי הדמיה פוטואקוסטית תרגומית אחרים, במיוחד אלה המשתמשים במערכי אולטרסאונד מסחריים לזיהוי אותות פוטואקוסטיים ואלגוריתמים סטנדרטיים ליצירת אלומות השהיה וסכום להדמיה.

Abstract

סרטן השחלות נותר הקטלני ביותר מבין כל הממאירויות הגינקולוגיות בשל היעדר כלי סינון אמינים לגילוי ואבחון מוקדם. הדמיה פוטואקוסטית או טומוגרפיה (PAT) היא שיטת הדמיה מתפתחת שיכולה לספק את ריכוז ההמוגלובין הכולל (קנה מידה יחסי, rHbT) וריווי חמצן בדם (%sO2) של נגעים בשחלות/אדנקסלים, שהם פרמטרים חשובים לאבחון סרטן. בשילוב עם אולטרסאונד משותף (US), PAT הוכיח פוטנציאל רב לגילוי סרטן השחלות ולאבחון מדויק של נגעים בשחלות להערכת סיכונים יעילה ולהפחתת ניתוחים מיותרים של נגעים שפירים. עם זאת, פרוטוקולי הדמיה PAT ביישומים קליניים, למיטב ידיעתנו, משתנים במידה רבה בין מחקרים שונים. כאן, אנו מדווחים על פרוטוקול הדמיה של סרטן השחלות הטרנס-וגינלי שיכול להועיל למחקרים קליניים אחרים, במיוחד אלה המשתמשים במערכי אולטרסאונד מסחריים לזיהוי אותות פוטואקוסטיים ואלגוריתמים סטנדרטיים ליצירת אלומות השהיה וסכום להדמיה.

Introduction

הדמיה פוטואקוסטית או טומוגרפיה (PAT) היא שיטת הדמיה היברידית המודדת את התפלגות הבליעה האופטית ברזולוציה אמריקאית ובעומקים הרבה מעבר לגבול הדיפוזיה האופטית של הרקמה (~1 מ"מ). ב-PAT, פולס לייזר של ננו-שנייה משמש לעורר רקמה ביולוגית, וגורם לעליית טמפרטורה חולפת עקב בליעה אופטית. זה מוביל לעליית לחץ ראשונית, והגלים הפוטואקוסטיים המתקבלים נמדדים על ידי מתמרים אמריקאים. PAT מולטיספקטרלי כרוך בשימוש בלייזר מתכוונן או במספר לייזרים הפועלים באורכי גל שונים כדי להאיר את הרקמה, ובכך לאפשר שחזור של מפות בליעה אופטיות באורכי גל מרובים. בהתבסס על ספיגה דיפרנציאלית של המוגלובין מחומצן ולא מחומצן בחלון האינפרא אדום הקרוב (NIR), PAT מולטיספקטרלי יכול לחשב את ההתפלגויות של ריכוזי המוגלובין מחומצן ולא מחומצן, ריכוז ההמוגלובין הכולל וריווי החמצן בדם, שהם כולם סמנים ביולוגיים פונקציונליים הקשורים לאנגיוגנזה של הגידול ולצריכת חמצון הדם או חילוף החומרים של הגידול. PAT הוכיח הצלחה ביישומים אונקולוגיים רבים, כגון סרטן השחלות1,2, סרטן השד 3,4,5, סרטן העור6, סרטן בלוטת התריס 7,8, סרטן צוואר הרחם9, סרטן הערמונית 10,11 וסרטן המעי הגס 12.

סרטן השחלות הוא הקטלני ביותר מכל הממאירויות הגינקולוגיות. רק 38% ממקרי סרטן השחלות מאובחנים בשלב מוקדם (מקומי או אזורי), שבו שיעור ההישרדות ל-5 שנים הוא 74.2% עד 93.1%. רובם מאובחנים בשלב מאוחר, שבו שיעור ההישרדות של 5 שנים הוא 30.8% או פחות13. שיטות האבחון הקליניות הנוכחיות, כולל אולטרה-סאונד טרנס-וגינלי (TUS), דופלר ארה"ב, אנטיגן סרטן בסרום 125 (CA 125) וחלבון אפידידימיס אנושי 4 (HE4), הוכחו כחסרות רגישות וספציפיות לאבחון מוקדם של סרטן השחלות14,15,16. בנוסף, חלק גדול מנגעי השחלות השפירים עשויים להיות קשים לאבחון מדויק עם טכנולוגיות הדמיה קיימות, מה שמוביל לניתוחים מיותרים עם עלויות בריאות מוגברות וסיבוכים כירורגיים. לפיכך, יש צורך בשיטות מדויקות ולא פולשניות נוספות לריבוד הסיכון של מסות אדנקסאליות כדי לייעל את הניהול והתוצאות. ברור שיש צורך בטכניקה רגישה וספציפית לסרטן שחלות בשלב מוקדם ומדויקת יותר בזיהוי נגעים ממאירים ונגעים שפירים.

הקבוצה שלנו פיתחה מערכת משולבת של US ו-PAT (USPAT) לאבחון סרטן השחלות על ידי שילוב של מערכת קלינית בארה"ב, נדן בדיקה מותאם אישית לאחסון הסיבים האופטיים להעברת אור, ולייזר1. ריכוז ההמוגלובין הכולל (קנה מידה יחסי, rHbT) וריווי החמצן בדם ((%sO2) הנגזרים ממערכת USPAT הוכיחו פוטנציאל רב לגילוי סרטן שחלות בשלב מוקדם ולאבחון מדויק של נגעים בשחלות לצורך הערכת סיכונים יעילה והפחתת ניתוחי נגעים שפירים מיותרים 1,2. סכימת המערכת הנוכחית מוצגת באיור 1, ודיאגרמת בלוק הבקרה מוצגת באיור 2. לאסטרטגיה זו יש פוטנציאל להשתלב בפרוטוקולי TUS קיימים לאבחון סרטן השחלות תוך מתן פרמטרים פונקציונליים (rHbT, %sO2) לשיפור הרגישות והספציפיות של TUS.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

כל המחקר שבוצע אושר על ידי מועצת הביקורת המוסדית של אוניברסיטת וושינגטון.

1. תצורת מערכת: תאורה אופטית (איור 1)

  1. השתמש בלייזר Nd:YAG השואב לייזר Ti-sapphire פועם ומכוון (690-890 ננומטר) ב- 10 הרץ.
  2. הרחב את קרן הלייזר על ידי סטיית הקרן תחילה עם עדשה קעורה פלאנו ולאחר מכן התנגשות הקרן עם עדשה קמורה פלנו. השתמש בשתי מראות כדי לכוון את הקרן אל מפצל קרן (מתואר להלן).
  3. פיצול קרן הלייזר המורחבת לארבע אלומות באנרגיה שווה על ידי פיצול הקרן המקורית לשתיים עם מפצל קרן מקטב ולאחר מכן פיצול שתי האלומות עם שני מפצלי קרן נוספים בשלב השני.
  4. הרכיבו ארבעה סיבים אופטיים מרובי מצבים עם צ'אקים לסיבים.
  5. השתמש בארבע עדשות פלאנו קמורות כדי למקד את ארבע קרני הלייזר לתוך ארבעת הסיבים.
  6. משיקולי בטיחות לייזר, כסו את כל הרכיבים האופטיים מתחת לקופסת מתכת כדי להבטיח שהנתיב האופטי לא ייחשף.
  7. חברו את הקצוות האחרים של ארבעת הסיבים לבדיקת האולטרסאונד הטרנס-וגינלי, וסגרו את הבדיקה ואת הסיבים במעטפת מגן.
    הערה: הנדן והחלון האקוסטי של המתמר מצופים בצבע לבן מחזיר אור במיוחד כדי לשפר את אחידות התאורה. מערך זה, הכולל שימוש בארבעה סיבים להעברת אור, הוכח בעבר כאופטימלי ליישומים טרנס-וגינליים17. עיין בדיון לקבלת מידע נוסף.

2. תצורת מערכת: ערכת זיהוי וסריקה קולית

  1. השתמש במערכת אמריקאית קלינית ניתנת לתכנות.
    הערה: מערכת ניתנת לתכנות פירושה שנתוני האולטרסאונד הגולמיים נגישים, וניתן לתכנת פרוטוקולים מותאמים אישית לרכישת נתונים ואלגוריתמים לעיבוד.
  2. חבר צג נוסף למערכת האמריקאית כדי להפעיל את תוכנת התצוגה USPAT לתצוגה חזותית בזמן אמת של rHbT, מפות %sO2 ופרמטרים פונקציונליים אחרים.
  3. חבר את ההדק הפנימי של הלייזר להדק החיצוני של המערכת האמריקאית.
  4. השתמש בגישת ריבוב חלוקת זמן במהלך מצב רישום משותף; באופן ספציפי, עבור כל אורך גל, לרכוש ברצף חמש מסגרות PAT רצופות ומסגרת אחת בארה"ב שנרשמה במשותף. ממוצע מסגרות PAT כדי לשפר את יחס האות לרעש. זמן איסוף הנתונים הכולל עבור ארבעה אורכי גל הוא בסביבות 15 שניות.

3. כיול המערכת

  1. הגדר את אנרגיית משאבת הלייזר לרמה קבועה.
  2. עבור כל אורך גל (750 ננומטר, 780 ננומטר, 800 ננומטר ו-830 ננומטר), בדוק את תפוקת האנרגיה לכל פולס בכל קצה סיב כדי לוודא שצפיפות האנרגיה המחושבת בכל אורך גל שנבחר היא בערך הצפוי המופיע בטבלה 1.
  3. אם תפוקת האנרגיה נמוכה מהצפוי, כוונן את היישור האופטי על-ידי התאמת זוויות מפצל המראה והקרן. שלב זה לא תמיד נחוץ.
  4. חזור על שלבים 3.2-3.4 עד שהאנרגיה משביעת רצון.
  5. רשום את תפוקת האנרגיה של ארבעת הסיבים בכל אורך גל, והזן את הערכים בתוכנת התצוגה USPAT.
    הערה: ערכים אלה משמשים לכיול החישוב של rHbT. אנרגיית הלייזר משתנה עם הזמן, והכיול מבטיח שהפרמטרים הכמותיים המחושבים מנתוני ה- PAT המולטיספקטרליים מדויקים ככל האפשר.

4. הליך ניסויי לדוגמה: הדמיה USPAT Transvaginal של השחלה האנושית

  1. הכנת מערכת הדמיה USPAT
    1. יש לחטא את בדיקת האנדוקוויט בארה"ב ואת נדן הכיסוי בפרוטוקול ניקוי בדיקת האולטרסאונד הסטנדרטי במוסד.
    2. הפעל את מערכת US הקלינית, הפעל את תוכנת המערכת US ובחר את המתמר US הנכון.
    3. כייל את מערכת הלייזר כמו בשלב 3.
    4. הזן את אנרגיית הפולס הכוללת עבור כל אורך גל בתוכנת התצוגה USPAT.
    5. הרכיבו את הגשושית USPAT על ידי סגירת הסיבים והגשושית בתוך נדן הבדיקה.
  2. הכנת המטופל
    1. עקוב אחר הפרוטוקול הספציפי למוסד כדי לקבל הסכמה מדעת ולהכין את המטופל.
  3. דימות
    1. אתר את שחלות המטרה באמצעות PULSE-echo US.
      הערה: שלב זה נעשה על ידי רופא המחקר, אשר חופשי להתאים את פרמטרי ההדמיה במכשיר האמריקאי הקליני, כגון עומק, טווח דינמי ו- TGC.
    2. בחר את העומק הרצוי בתוכנת הבקרה USPAT.
    3. לחץ על סריקה בתוכנת הבקרה כדי להתחיל את רכישת הנתונים במצב B של USPAT הרשומה במשותף. צפה בתוכנת תצוגת התמונות USPAT כדי לסקור את התמונות הרשומות במשותף של ארה"ב ו- PAT במצב B ומפות פונקציונליות משוחזרות בזמן אמת.
    4. חזור על שלבים 4.3.1-4.3.3 כדי להשיג תמונות נוספות (ואם יש צורך) תמונה של הנגע השני.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

כאן, אנו מראים דוגמאות של נגעים ממאירים ונורמליים בשחלות שצולמו על ידי USPAT. איור 3 מראה אישה בת 50 לפני גיל המעבר עם מסות אדנקסל מולטיציסטיות דו-צדדיות שהתגלו על-ידי CT משופר בניגוד. איור 3A מראה את התמונה האמריקאית של האדנקסה השמאלית עם החזר השקעה המסמן את הגולם המוצק החשוד בתוך הנגע הציצי. איור 3B מראה את מפת PAT rHbT המונחת על גבי ארה"ב ומוצגת באדום. ה- rHbT הראה פיזור נרחב של כלי הדם המפוזרים בטווח העומק של 1 ס"מ עד 5 ס"מ והרמה הייתה גבוהה של 17.1 (a.u). תרשים 3C מראה את התפלגות %sO2 על פני ארה"ב, והרמה הייתה נמוכה בערך ממוצע של 46.4%. ההיסטוגרמות של rHbT ו- %sO2 בהחזר ההשקעה מוצגות בפינה השמאלית של מפות rHbT ו- %sO2. פתולוגיה כירורגית חשפה אדנוקרצינומה אנדומטריואידית מובחנת היטב של השחלות הימני והשמאלי.

איור 4 מראה אישה בת 46 עם נגעים ציסטיים דו-צדדיים. איור 4A מראה תמונה אמריקאית של השחלה הימנית עם ציסטה פשוטה בקוטר מרבי של 4.2 ס"מ. איור 4B מראה את מפת PAT rHbT המונחת על גבי ארה"ב הרשומה המשותפת, ומראה אותות פיזור בצד שמאל של הנגע עם רמה ממוצעת נמוכה של 4.8 (a.u). איור 4C מציג את מפת %sO2, שחשפה תוכן %sO2 גבוה יותר של 67.5%. הפתולוגיה הכירורגית חשפה שחלה ימנית תקינה עם ציסטות פוליקולריות.

בהתבסס על נתוני הפיילוט, נגעים ממאירים בשחלות גילו rHbT גבוה פי 1.9 ו-%sO2 נמוך ב-9% בממוצע בהשוואה לנגעים שפירים1. שתי דוגמאות מייצגות אלה מדגישות את חשיבות הפרמטרים התפקודיים הניתנים על ידי PAT באבחון נגעים שזוהו בארה"ב.

אורכי גל 750 נאנומטר 780 ניוטון מטר 800 נאנומטר 830 ניוטון מטר
סיבים תזונתיים 1 4.79 mJ/ס"מ2 6.16 mJ/cm2 6.59 mJ/cm2 6.33 mJ/cm2
סיבים תזונתיים 2 4.62 mJ/cm2 5.39 mJ/cm2 5.99 mJ/ס"מ2 6.50 mJ/ס"מ2
סיבים 3 4.79 mJ/ס"מ2 6.07 mJ/cm2 6.76 mJ/cm2 6.84 mJ/cm2
סיבים 4 4.70 mJ/cm2 6.07 mJ/cm2 6.67 mJ/cm2 6.50 mJ/ס"מ2
סך 18.90 mJ/cm2 23.69 mJ/cm2 26.01 mJ/cm2 26.17 mJ/cm2
MPE (ANSI) 25.2 mJ/cm2 28.9 mJ/cm2 31.7 mJ/cm2 36.4 mJ/cm2

טבלה 1: מדידות מייצגות של צפיפות אנרגיית לייזר ביחידות של mJ/cm2 המצומדות לארבעת קצות הסיבים עבור ארבעה אורכי גל יחד עם ערכי MPE המתאימים להם.

Figure 1
איור 1: מערכת והגשושית הרשומות יחד בארה"ב וב-PAT. המערכת האמריקאית מורחבת עם צג נוסף עבור תוכנת התצוגה USPAT, והיא מקבלת טריגרים לייזר כדי לסנכרן את הרכש האמריקאי. קרן הלייזר מורחבת על ידי עדשה פלנו-קמורה (L1), מתנגשת בעדשה פלנו-קעורה (L2), מפוצלת לארבע אלומות עם שני שלבים של מפצלי קרן (BS), ומצומדת לסיבים רב-מצבי (MMF) עם ארבע עדשות פלנו-קמורות (L3-6) ומצמד סיבים (FC1-4). הסיבים מחוברים לגשושית אנדוקוויטי US באמצעות נדן בדיקה מותאם אישית. מראות (M) משמשות להפניית אור בחלל הסגור בעת הצורך. מחשב הבקרה אינו מוצג. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: דיאגרמת בלוקים של תוכנת הבקרה USPAT. תוכנת הבקרה הופכת את תהליך ההדמיה לאוטומטי על ידי שינוי אורך גל הלייזר, שליחת פקודות רכישת נתונים למערכת הקלינית בארה"ב ואיתות לתוכנת התצוגה לעבד ולהמחיש את הנתונים. המערכת הקלינית בארה"ב מקבלת טריגרים מהלייזר ישירות כדי לסנכרן את עירור הלייזר עם הגילוי האמריקאי. תוכנת התצוגה קוראת את נתוני RF ממערכת הקבצים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: אישה בת 50 לפני גיל המעבר עם מסות אדנקסל מולטיציסטיות דו-צדדיות שנחשפו על-ידי CT משופר בניגוד . (A) תמונה אמריקאית של האדנקסה השמאלית עם החזר ההשקעה המסמן את הגולם המוצק החשוד בתוך הנגע הציצי. (B) מפת PAT rHbT המונחת על גבי ארה"ב ומוצגת באדום. rHbT הראה פיזור נרחב של כלי הדם המפוזרים בטווח העומק של 1 ס"מ עד 5 ס"מ, והרמה הייתה גבוהה של 17.1 (a.u). (C) התפלגות %sO2 על גבי ארה"ב. הרמה הייתה נמוכה בערך ממוצע של 46.4%. פתולוגיה כירורגית חשפה אדנוקרצינומה אנדומטריואידית מובחנת היטב של השחלות הימני והשמאלי. העומק סומן בצד ימין של תמונות סריקת B. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: אישה בת 46 עם נגעים ציסטיים דו-צדדיים. (A) US של השחלה הימנית עם ציסטה פשוטה בקוטר מרבי של 4.2 ס"מ. (B) מפת PAT rHbT המונחת על גבי ארה"ב הרשומה מראה אותות פיזור בצד שמאל של הנגע עם רמה ממוצעת נמוכה של 4.8 (a.u). (C) מפת %sO2 חשפה תוכן %sO2 גבוה יותר של 67.5%. הפתולוגיה הכירורגית חשפה שחלה ימנית תקינה עם ציסטות פוליקולריות. העומק סומן בצד ימין של תמונות סריקת B. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

קובץ משלים 1: נדן בדיקה. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

תאורה אופטית
מספר הסיבים בהם נעשה שימוש מבוסס על שני גורמים: אחידות תאורת האור ומורכבות המערכת. חשוב שתהיה תבנית הארה אחידה על פני העור כדי למנוע נקודות חמות. חשוב גם לשמור על המערכת פשוטה וחזקה עם מספר מינימלי של סיבים. השימוש בארבעה סיבים נפרדים הוכח בעבר כאופטימלי ליצירת תאורה אחידה בעומקים של מספר מילימטרים ומעבר לכך. בנוסף, צימוד האור לארבעה סיבים אופטיים הוא פשוט וחזק יחסית, לפי הצורך במחקרי מטופלים. הראינו בעבר כי השימוש בארבעה סיבים אופטיים רב-מצבי בעלי ליבה של 1 מ"מ, כאשר קצות הסיבים במרחק של כ-10 מ"מ מהרקמה, השוכנים במעטפת בדיקה רפלקטיבית ביותר (עיין בקובץ משלים 1 לתכנון) הם אופטימליים להדמיה פוטואקוסטית טרנס-וגינלית17.

תוכנת תצוגה USPAT
המערכת הקלינית בארה"ב בה אנו משתמשים ניתנת לתכנות לתצוגה בזמן אמת של PAT21 באורך גל יחיד. עם זאת, השיטה שלנו דורשת עיבוד פוסט מותאם אישית של נתוני PAT מולטיספקטרליים כדי לחשב פרמטרים פונקציונליים, ולכן בחרנו ליישם תוכנת תצוגת USPAT משלנו ב- C++ כדי לחשב ולהציג באופן חזותי מפות ופרמטרים פונקציונליים. תמונות במצב US ו- PAT B מחושבות מנתוני RF באמצעות יצירת אלומות השהיה וסכום סטנדרטיות, דחיסת יומן וטווח דינמי, ולאחר מכן עוברות אינטרפולציה לצורת מניפה. מפות rHbT ו- %sO2 המחושבות מנתוני PAT מולטיספקטרליים (ראה "חישוב של rHbT ו- %sO2" בהמשך הדיון) מוצגות בתמונה הרשומה או, לחלופין, באזור עניין (ROI) המוגדר על-ידי המשתמש. הממוצע והמקסימום של %sO2 ו- rHbT מוצגים על המסך לעיון. במהלך ההדמיה, תוכנת התצוגה משמשת במצב שרת להאזנה לקריאות לפרוצדורות מרוחקות (RPC) באמצעות TCP/IP מתוכנת הבקרה USPAT לעיבוד מקוון והדמיה בזמן אמת. זה יכול לשמש גם עבור עיבוד לא מקוון ויזואליזציה.

אלגוריתמים לעיבוד תמונה מיושמים בצורה הטובה ביותר על חומרת גרפיקה מיוחדת, כגון GPU, אך במחקר זה, הצלחנו להשיג ביצועים משביעי רצון עם יישום CPU ממוטב. השיפור הגדול ביותר בביצועים הגיע מהחלפת אלגוריתמים של תחומים מרחביים במקבילות בתחום התדרים שלהם. תוך ניצול התמרת פורייה המהירה, אנו יכולים לשפר באופן טריוויאלי את הסיבוכיות החישובית של פעולות סינון מרחביות, שלעתים קרובות יש להן O(n 2), סיבוכיות זמן, ל- O(n logn), שבפועל קרובה מאוד לזמן ליניארי. יתר על כן, לצורך סינון נתוני RF גולמיים, יישמנו קונבולוציה בדידה מהירה בשיטת Overlap-Add18, המצטיינת בסינון תגובת דחף סופית (FIR).

חישוב של rHbT ו - %sO2
חישוב הפרמטרים הפונקציונליים הנגזרים מנתוני PAT מולטיספקטרליים מיושם בתוכנת התצוגה USPAT, והפרמטרים הפונקציונליים מחושבים ומוצגים באופן אוטומטי בזמן אמת. בקצרה, חישבנו את ריכוז אוקסי-המוגלובין ודאוקסי-המוגלובין (קנה מידה יחסי, rHbO ו-rHbR) בכל פיקסל על ידי פתרון בעיית ריבועים ליניאריים לא שליליים:

Equation 1

כאשר g מייצג את המדידות בארבעה אורכי גל, H מייצג את מטריצת מקדמי ההכחדה של אוקסי-המוגלובין ודאוקסי-המוגלובין בכל אורך גל, ו-f מייצג את rHbO ו-rHbR. rHbT הוא פשוט הסכום של rHbO ו- rHbR, וניתן לחשב את %sO2 מהיחס של rHbO:rHbT2. החישוב של פרמטרים אלה מיושם בתוכנת התצוגה USPAT והוא אוטומטי לחלוטין. שיטה זו עם המערכת מאומתת באמצעות מדידת פנטום צינור הדם המכויל התלוי בתמיסה תוך ליפידית2.

תוכנת בקרת USPAT
תוכנת הבקרה USPAT הופכת את תהליך רכישת הנתונים של USPAT לאוטומטי על ידי תקשורת עם הלייזר לכוונון אורכי גל, המערכת הקלינית בארה"ב לרכישת נתונים, ותוכנת התצוגה USPAT לעיבוד נתונים והדמיה. לאחר בחירת העומק בממשק המשתמש הגרפי (GUI), התוכנה שולחת פקודה למערכת האמריקאית (באמצעות TCP/IP באמצעות כבל Ethernet) כדי לטעון את קובץ הרצף הנכון. לחצן סריקה מתחיל את תהליך הרכישה של קבוצה אחת של נתוני PAT מולטיספקטרליים ונתונים בארה"ב הרשומים במשותף. ראשית, תוכנת הבקרה מכווננת ברצף את אורך גל הלייזר (מעל USB) מהנמוך ביותר לגבוה ביותר, בעוד המערכת האמריקאית רוכשת את ה- PAT והמסגרות האמריקאיות הרשומות במשותף. לבסוף, תוכנת הבקרה מפעילה את תוכנת התצוגה USPAT (על גבי TCP/IP) כדי לחשב את התמונות US ו- PAT במצב B, לשחזר את המפות הפונקציונליות ולהציג אותן בזמן אמת. במקביל, הלייזר מכוון חזרה לאורך הגל הנמוך ביותר.

מגבלות
נכון לעכשיו, ישנן מספר מגבלות של טכניקת USPAT. ראשית, הדמיה פוטואקוסטית יכולה להגיע לעומק של כ-5 ס"מ בלבד עם מתמרים מסחריים בארה"ב ברוחב פס של 4-10 מגה-הרץ. לכן, עבור שחלות עמוקות יותר מ 5 ס"מ, או כאשר התהליך הפתולוגי היעד הוא יותר מ 5 ס"מ מן fornix הנרתיק בתוך מסה adnexal גדול, PAT מוגבל. שנית, שדה הראייה המוגבל של המתמר האמריקאי דורש סריקה של נגע גדול יותר במספר זוויות כדי לקבל ממוצע שמייצג יותר את הניגודיות rHbT ו-%sO2 של הנגע. שלישית, ריכוז ההמוגלובין הכולל היחסי דווח מכיוון שמדידות ה- PAT הן תוצר של התפלגות הפלואנס המקומית ופרופיל הספיגה האופטי. מאתגר להעריך את פרופיל הבליעה האופטי ממדידות in vivo . לאחרונה, גישות מבוססות רשת עצבית נחקרו לשחזור ריכוז המוגלובין הכולל המוחלט19, אך גישות אלה עדיין צריכות להיות מאומתות. לבסוף, קצב הפריימים של הדמיה פוטואקוסטית מולטיספקטרלית מוגבל על ידי המהירות שבה הלייזר יכול לכוונן את אורך הגל שלו. הלייזר פועל ב-10 הרץ ומכוון מכנית, וקליטת הנתונים לארבעה אורכי גל אורכת כ-15 שניות, כך שזהו צוואר הבקבוק בשיפור קצב הפריימים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין אינטרסים כספיים רלוונטיים בכתב היד ואין ניגודי עניינים פוטנציאליים אחרים לחשוף.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי NCI (R01CA151570, R01CA237664). המחברים מודים לכל הקבוצה האונקולוגית הגינקולוגית בראשות ד"ר מתיו פאוול על הסיוע בגיוס חולים, לרדיולוגים ד"ר קרי סיגל, ויליאם מידלטון ומלכ איטנאי על עזרתם במחקרים בארה"ב, ולפתולוג ד"ר איאן האגמן על הסיוע בפענוח הפתולוגי של הנתונים. המחברים מודים בהכרת תודה על מאמציהם של מייגן לותר ומתאמי המחקר הגינקולוגי בתיאום לוחות הזמנים של המחקר, זיהוי מטופלים למחקר וקבלת הסכמה מדעת.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Clinical US imaging system Alpinion Medical Systems EC-12R Fully programmable clinical US system
Dielectric mirror Thorlabs BB1-E03 Used to reflect light along the optical path
Endocavity US transducer Alpinion Medical Systems EC3-10 Transvaginal ultrasound probe
Laser power meter Coherent LabMax TOP Used to measure laser energy
Multi-mode optical fiber Thorlabs FP1000ERT Couple laser light to the endocavity ultrasound probe
Non-polarizing beam splitter plate Thorlabs BSW11 For splitting laser beam into sensors to measure energy
Plano-concave lens Thorlabs LC1715 For laser beam expansion
Plano-convex lens  Thorlabs LA1484-B For laser beam collimation
Plano-convex lens  Thorlabs LA1433-B Used to focus light into four optical fibers
Polarizing beam splitter cube Thorlabs PBS252 For splitting laser beam into four beams
Protective probe shealth Custom 3D printed Hold and protect the four optical fibers at the tip of the ultrasound probe
Right angle prism mirror Thorlabs MRA25-E03 Used to reflect light along the optical path
Tunable laser system Symphotic TII LS-2145-LT50PC Light source for multispectral PAT
USPAT control software Custom developed in C++ Controls acquisition parameters of the ultrasound machine and the laser wavelength
USPAT image display software Custom developed in C++ Displays the US/PAT B-scans and sO2/rHbT maps in real time

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Nandy, S., et al. Evaluation of ovarian cancer: Initial application of coregistered photoacoustic tomography and US. Radiology. 289 (3), 740-747 (2018).
  2. Amidi, E., et al. Role of blood oxygenation saturation in ovarian cancer diagnosis using multi-spectral photoacoustic tomography. Journal of Biophotonics. 14 (4), 202000368 (2021).
  3. Dogan, B. E., et al. Optoacoustic imaging and gray-scale US features of breast cancers: Correlation with molecular subtypes. Radiology. 292 (3), 564-572 (2019).
  4. Menezes, G. L. G., et al. Downgrading of breast masses suspicious for cancer by using optoacoustic breast imaging. Radiology. 288 (2), 355-365 (2018).
  5. Neuschler, E. I., et al. A pivotal study of optoacoustic imaging to diagnose benign and malignant breast masses: A new evaluation tool for radiologists. Radiology. 287 (2), 398-412 (2018).
  6. von Knorring, T., Mogensen, M. Photoacoustic tomography for assessment and quantification of cutaneous and metastatic malignant melanoma - A systematic review. Photodiagnosis and Photodynamic Therapy. 33, 102095 (2021).
  7. Han, S., Lee, H., Kim, C., Kim, J. Review on multispectral photoacoustic analysis of cancer: Thyroid and breast. Metabolites. 12 (5), 382 (2022).
  8. Kim, J., et al. Multiparametric photoacoustic analysis of human thyroid cancers in vivo. Cancer Research. 81 (18), 4849-4860 (2021).
  9. Basij, M., Karpiouk, A., Winer, I., Emelianov, S., Mehrmohammadi, M. Dual-illumination ultrasound/photoacoustic system for cervical cancer imaging. IEEE Photonics Journal. 13 (1), 6900310 (2021).
  10. Agrawal, S., et al. development, and multi-characterization of an integrated clinical transrectal ultrasound and photoacoustic device for human prostate imaging. Diagnostics. 10 (8), 566 (2020).
  11. Kothapalli, S. -R., et al. Simultaneous transrectal ultrasound and photoacoustic human prostate imaging. Science Translational Medicine. 11 (507), 2169 (2019).
  12. Leng, X., et al. Assessing rectal cancer treatment response using coregistered endorectal photoacoustic and US imaging paired with deep learning. Radiology. 299 (2), 349-358 (2021).
  13. Surveillance, Epidemiology, and End Results Program. Cancer of the Ovary - Cancer Stat Facts. National Cancer Institute. , Available from: https://seer.cancer.gov/statfacts/html/ovary.html (2022).
  14. Temkin, S. M., et al. Outcomes from ovarian cancer screening in the PLCO trial: Histologic heterogeneity impacts detection, overdiagnosis and survival. European Journal of Cancer. 87, 182-188 (2017).
  15. Kobayashi, H., et al. A randomized study of screening for ovarian cancer: A multicenter study in Japan. International Journal of Gynecological Cancer. 18 (3), 414-420 (2008).
  16. Andreotti, R. F., et al. O-RADS US risk stratification and management system: A consensus guideline from the ACR ovarian-adnexal reporting and data system committee. Radiology. 294 (1), 168-185 (2020).
  17. Salehi, H. S., et al. Design of optimal light delivery system for coregistered transvaginal ultrasound and photoacoustic imaging of ovarian tissue. Photoacoustics. 3 (3), 114-122 (2015).
  18. Oppenheim, A. V., Schafer, R. W. Digital Signal Processing. , Prentice-Hall. Upper Saddle River, NJ. (1975).
  19. Zou, Y., Amidi, E., Luo, H., Zhu, Q. Ultrasound-enhanced Unet model for quantitative photoacoustic tomography of ovarian lesions. Photoacoustics. 28, 100420 (2022).
  20. Prince, J. L., Links, J. M. Medical Imaging Signals and Systems. , Prentice-Hall. Upper Saddle River, NJ. (2006).
  21. Kim, J., et al. Programmable Real-time Clinical Photoacoustic and Ultrasound Imaging System. Scientific Reports. 6, 35137 (2016).

Tags

הנדסה גיליון 193
פרוטוקול אולטרסאונד והדמיה פוטואקוסטית להדמיה טרנס-וגינלית של נגעים בשחלות
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Nie, H., Luo, H., Chen, L., Zhu, Q.… More

Nie, H., Luo, H., Chen, L., Zhu, Q. A Coregistered Ultrasound and Photoacoustic Imaging Protocol for the Transvaginal Imaging of Ovarian Lesions. J. Vis. Exp. (193), e64864, doi:10.3791/64864 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter